一种海上风力机叶片动力响应计算方法及系统技术方案

本申请公开了一种海上风力机叶片动力响应计算方法及系统，其中方法步骤包括：建立叶片二维翼型截面数值模型，并进行网格划分，得到网格信息；构建一维梁模型本构方程；基于一维梁模型本构方程和网格信息，构建风力机叶片一维梁模型；对风力机叶片一维梁模型进行离散，得到最终模型；并基于最终模型，得到叶片的动态响应。本申请可以准确模拟海上大型柔性风力机叶片在复杂海洋环境作用下的非线性动力响应特性，大大提高风力机叶片数值模拟精度。同时对海上大型风力机叶片结构参数没有使用限制，通用性强。通用性强。通用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种海上风力机叶片动力响应计算方法及系统


[0001]本申请涉及风力机叶片动力计算领域，具体涉及一种海上风力机叶片动力响应计算方法及系统。

技术介绍

[0002]随着海上风电技术的发展，风力发电机的单机容量逐渐提高，其叶片长度更是显著增大，可达百米以上。为了解决叶片长度增大引起的重量问题，越来越多的新型复合材料应用于叶片的生产制造中。大型风力机叶片属于细长弹性体结构，复合材料的使用会引起叶片截面不同方向变形之间的耦合，如拉伸
‑
扭转耦合、弯曲
‑
扭转耦合等，导致叶片动力响应的非线性特性更加显著。另一方面，对于海上风力机，其生存环境恶劣，在风浪流等海洋环境载荷作用下，叶片动力响应更加复杂。考虑叶片结构与环境载荷的相互作用，针对叶片特别是叶根位置处的受力分析与评估，对风力机的安全生产与作业十分重要。
[0003]目前，对于大型风力机叶片动力响应的求解，通常将其模拟成一维梁结构，叶片的二维截面特性通过一维梁模型中的刚度矩阵和质量矩阵系数来体现。常用的海上风力机叶片结构数值模型仅考虑叶片截面线性刚度，忽略大变形引起的非线性几何刚度，无法精准预报大型浮式风力机叶片非线性动力响应。本专利技术提出一种考虑非线性几何刚度的海上风力机叶片动力响应求解方法，可以大大提高海上风力机叶片动力响应预报精度。

技术实现思路

[0004]为解决上述背景中的技术问题，本申请充分考虑叶片大变形的影响，提出一种考虑非线性几何刚度的海上风力机叶片动力响应计算方法，以提高海上风力机叶片动力响应预报精度。
[0005]为实现上述目的，本申请提供了一种海上风力机叶片动力响应计算方法，步骤包括：
[0006]建立叶片二维翼型截面数值模型，并进行网格划分，得到网格信息；
[0007]构建一维梁模型本构方程；
[0008]基于所述一维梁模型本构方程和所述网格信息，构建风力机叶片一维梁模型；
[0009]对所述风力机叶片一维梁模型进行离散，得到最终模型；并基于所述最终模型，得到叶片的动态响应。
[0010]优选的，在ABAQUS软件中输入风力机叶片各个站位处二维截面坐标、截面铺层信息以及不同铺层材料固有特性参数，建立所述风力机叶片数值模型并进行网格划分；得到所述网格信息。
[0011]优选的，基于几何精确梁理论，根据叶片大变形引起的非线性效应，得到所述一维梁模型本构方程：
[0012][0013]式中，F1、F2、F3分别表示一维梁模型轴向拉力与两个方向的剪切力；M1、M2、M3分别表示扭转和两个弯曲方向的力矩；ε＝[γ
11 γ
12 γ
13 κ
1 κ
2 κ3]T
；C
i,j
，j＝1,2...6代表线性刚度矩阵C的第i行；A
γi,k
，k＝1,2...4、B
κ1i,k
，k＝1,2...4、C
κ2i,k
，k＝1,2...4和D
κ3i,k
，k＝1,2...4分别表示非线性几何刚度矩阵A
γ
、B
k1
、C
k2
和D
k3
的第i行。
[0014]优选的，基于哈密尔顿原理，结合所述一维梁模型本构方程和所述网格信息；构建风力机叶片一维梁模型：
[0015][0016][0017]式中，表示对时间的导数；()
′
表示对一维梁中心轴线坐标的导数；h和g分别表示一维梁上某一截面处的线动量和角动量；和分别表示梁结构变形前初始位置坐标和梁结构的空间位移；F和M分别表示截面的力和力矩；f和m分别表示单位长度上梁受到的外力和外力矩。
[0018]优选的，利用谱有限元方法对所述风力机叶片一维梁模型进行离散；选取p阶Lagrangian函数作为插值形函数，其中参数p的取值通过具体叶片结构进行敏感性分析得到。
[0019]本申请还提供了一种海上风力机叶片动力响应计算系统，包括：划分模块、定标模块、构建模块和离散模块；
[0020]所述划分模块用于建立叶片二维翼型截面数值模型，并进行网格划分，得到网格信息；
[0021]所述定标模块用于构建一维梁模型本构方程；
[0022]所述构建模块用于基于所述一维梁模型本构方程和所述网格信息，构建风力机叶片一维梁模型；
[0023]所述离散模块用于对所述风力机叶片一维梁模型进行离散，得到最终模型；并基于所述最终模型，得到叶片的动态响应。
[0024]优选的，所述划分模块的工作流程包括：在ABAQUS软件中输入风力机叶片各个站
位处二维截面坐标、截面铺层信息以及不同铺层材料固有特性参数，建立所述风力机叶片数值模型并进行网格划分；得到所述网格信息。
[0025]优选的，所述定标模块的工作流程包括：基于几何精确梁理论，根据叶片大变形引起的非线性效应，得到所述一维梁模型本构方程：
[0026][0027]式中，F1、F2、F3分别表示一维梁模型轴向拉力与两个方向的剪切力；M1、M2、M3分别表示扭转和两个弯曲方向的力矩；ε＝[γ
11 γ
12 γ
13 κ
1 κ
2 κ3]T
；C
i,j
，j＝1,2...6代表线性刚度矩阵C的第i行；A
γi,k
，k＝1,2...4、B
κ1i,k
，k＝1,2...4、C
κ2i,k
，k＝1,2...4和D
κ3i,k
，k＝1,2...4分别表示非线性几何刚度矩阵A
γ
、B
κ1
、C
κ2
和D
κ3
的第i行。
[0028]优选的，所述构建模块的工作流程包括：基于哈密尔顿原理，结合所述一维梁模型本构方程和所述网格信息；构建风力机叶片一维梁模型：
[0029][0030][0031]式中，表示对时间的导数；()
′
表示对一维梁中心轴线坐标的导数；h和g分别表示一维梁上某一截面处的线动量和角动量；和分别表示梁结构变形前初始位置坐标和梁结构的空间位移；F和M分别表示截面的力和力矩；f和m分别表示单位长度上梁受到的外力和外力矩。
[0032]优选的，所述离散模块的工作流程包括：利用谱有限元方法对所述风力机叶片一维梁模型进行离散；选取p阶Lagrangian函数作为插值形函数。
[0033]与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
[0034]本申请可以准确模拟海上大型柔性风力机叶片在复杂海洋环境作用下的非线性动力响应特性，大大提高风力机叶片数值模拟精度。同时对海上大型风力机叶片结构参数没有使用限制，通用性强。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单
地介绍，显而易见地，下面描述中的附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海上风力机叶片动力响应计算方法，其特征在于，步骤包括：建立叶片二维翼型截面数值模型，并进行网格划分，得到网格信息；构建一维梁模型本构方程；基于所述一维梁模型本构方程和所述网格信息，构建风力机叶片一维梁模型；对所述风力机叶片一维梁模型进行离散，得到最终模型；并基于所述最终模型，得到叶片的动态响应。2.根据权利要求1所述的海上风力机叶片动力响应计算方法，其特征在于，在ABAQUS软件中输入风力机叶片各个站位处二维截面坐标、截面铺层信息以及不同铺层材料固有特性参数，建立所述风力机叶片数值模型并进行网格划分；得到所述网格信息。3.根据权利要求1所述的海上风力机叶片动力响应计算方法，其特征在于，基于几何精确梁理论，根据叶片大变形引起的非线性效应，得到所述一维梁模型本构方程：式中，F1、F2、F3分别表示一维梁模型轴向拉力与两个方向的剪切力；M1、M2、M3分别表示扭转和两个弯曲方向的力矩；ε＝[γ
11
γ
12
γ
13
κ1κ2κ3]
T
；C
i,j
，j＝1,2...6代表线性刚度矩阵C的第i行；A
γi,k
，k＝1,2...4、B
κ1i,k
，k＝1,2...4、C
κ2i,k
，k＝1,2...4和D
κ3i,k
，k＝1,2...4分别表示非线性几何刚度矩阵A
γ
、B
k1
、C
k2
和D
k3
的第i行。4.根据权利要求1所述的海上风力机叶片动力响应计算方法，其特征在于，基于哈密尔顿原理，结合所述一维梁模型本构方程和所述网格信息；构建风力机叶片一维梁模型：顿原理，结合所述一维梁模型本构方程和所述网格信息；构建风力机叶片一维梁模型：式中，表示对时间的导数；()
′
表示对一维梁中心轴线坐标的导数；h和g分别表示一维梁上某一截面处的线动量和角动量；和分别表示梁结构变形前初始位置坐标和梁结构的空间位移；F和M分别表示截面的力和力矩；f和m分别表示单位长度上梁受到的外力和外力矩。5.根据权利要求1所述的海上风力机叶片动力响应计算方法，其特征在于，利用谱有限元方法对所述风力机叶片一维梁模型进行离散；选取p阶Lagrangian函数作为插值形函数，
其中参数p的取值通过具体叶片结构进行敏感性分析得到。6.一种海上风力机叶片动力响应计算系统，其特征在于，包括：划分...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲晓奇，李红涛，高畅，杨林林，郭炳川，徐辉，
申请(专利权)人：中国船级社，
类型：发明
国别省市：